DE2755774A1 - METHOD FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF A FLOWABLE MEDIUM - Google Patents
METHOD FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF A FLOWABLE MEDIUMInfo
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Description
. jUer*·' ,....,„, ■ 14.Dezember 1977. jUer * · ', ...., ", ■ December 14, 1977
Dänemark.Denmark.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, wie einer Flüssigkeit, einer Emulsion, einer Suspension oder einer Aufschlämmung, insbesondere eines solchen, das als wesentlichen Bestandteil Wasser enthält.The invention relates to a method for measuring the concentration of a flowable medium, such as a liquid, a Emulsion, a suspension or a slurry, in particular one which contains water as an essential component.
In vielen Industrien ist es wünschenswert, während der Verarbeitung eines fliessfähigen Mediums dessen Konzentration kontinuierlich überwachen und regeln zu können. Eine solche kontinuierliche überwachung und Regelung erfolgt heutzutage häufig auf Grund verschiedener mittelbarer Messungen, wie Messung von spezifischem Gewicht, Refraktionsindex, Siedepunktserhohung, elektrischer Leitfähigkeit, Viskosität, Absorption von Licht oder von radioaktiver Strahlung. Jede dieser Messmethoden hat ihre Vorteile und ihre Begrenzungen.In many industries it is desirable to have a flowable medium continuously concentrated while it is being processed to be able to monitor and regulate. Such continuous monitoring and regulation nowadays often takes place on the basis of various indirect measurements, such as measurement of specific weight, refraction index, Boiling point increase, electrical conductivity, viscosity, absorption of light or radioactive radiation. Each of these measurement methods has their advantages and their limitations.
Bei der Messung der für den Kristallisationzustand erforderlichen Konzentration in Vakuumvorrichtungen für die Kristallisation von Zucker haben die folgenden Messmethoden praktische Verwendung gefunden.When measuring the concentration required for the state of crystallization in vacuum devices for the crystallization of Sugars have found practical use in the following measurement methods.
1. Elektrische Leitfähigkeit: Diese Messmethode wurde für Erzeugnisse mit einem Salzinhalt von über 1/2 1 des gesamten Trockenstoffinhaltes praktisch und gut verwendbar gefunden. Die Messung ist auf1. Electrical conductivity: This measurement method was found for products with a salt content of about 1.2 1 of the total dry matter content of practical and useful. The measurement is on
809827S0684809827S0684
der Leitfähigkeit des die Kristalle umschliessenden Sirups basiert, wird jedoch auch in einem gewissen Umfang vom Kristallprozent in der Kristall-Flüssigkeitsmischung beeinflusst. Dies wurde für den genannten Zweck sehr befriedigend gefunden. Die Messmethode versagt indessen bei niedrigem oder schwankendem Salz inhalt.the conductivity of the syrup surrounding the crystals is based but also to a certain extent from the crystal percentage in the crystal-liquid mixture influenced. This has been found to be very satisfactory for the stated purpose. The measurement method, however, fails at low or fluctuating salt content.
3. Siedepunktserhöhung und Refraktionsindex: Diese Messung hängt ausschliesslich von der Konzentration des Muttersirups ab. Da es gegen Ende einer Kristallisation, wo der Muttersirup eine gesättigte oder nur leicht übersättigte Zuckerlösung bildet, deren Konzentration sich praktisch nicht mehr ändert, notwendig ist, eine Messmethode zu verwenden, die auch vom Kristallprozent abhängt, können diese Messmethoden nicht für die gesarate Durchführung des Kristallisierungsverfahrens verwendet werden.3. Boiling point increase and refractive index: This measurement depends depends exclusively on the concentration of the mother syrup. As it is towards the end of a crystallization where the mother syrup is a saturated or just forms slightly oversaturated sugar solution, the concentration of which practically no longer changes, it is necessary to use a measuring method that also depends on the crystal percentage, these measuring methods cannot be used for the entire implementation of the crystallization process can be used.
3. Viskositäts-(Konsistenz-)messung: Diese Messmethode wird heute mit Erfolg für die Steuerung des Kristallisationsvorganges benutzt. Die verwendete Apparatur ist indessen recht kompliziert, und die Methode ist etwas abhängiger vom Kristallprozent als wünschenswert.3. Viscosity (consistency) measurement: This measurement method is used today with success to control the crystallization process. The apparatus used, however, is quite complicated, and the method is somewhat more dependent on the percentage of crystals than is desirable.
Die anderen obengenannten Messmethoden werden im allgemeinen wegen praktischer Schwierigkeiten nicht für das Kristallisationsverfahren benutzt.The other measurement methods mentioned above are generally not applicable to the crystallization method because of practical difficulties used.
Es ist bekannt, dass die Dielektrizitätskonstante von vielen fliessfähigen Medien mit der Konzentration des Mediums variiert, und dass die Impedanz einer in einem solchen Medium angebrachten Antenne von der Dielektrizitätskonstante des Mediums abhängt. Diese Tatsachen wurden in verschiedenen Methoden für die Messung des Wasserinhaltes von Medien ausgewertet. So ist in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 612 996 ein Messverfahren beschrieben, das auf Mikrowellenresonanz in einem fur den Zweck besonders ausgebildeten Hohlraum beruht, und aus der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 684 952 ist ein Verfahren bekannt, dass auf der von einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Antenne verursachten Änderung der Resonanzfrequenz eines Oszillators beruht.It is known that the dielectric constant of many Flowable media varies with the concentration of the medium, and that the impedance of an antenna installed in such a medium depends on the dielectric constant of the medium. These facts were in evaluated various methods for measuring the water content of media. This is the case in American patent specification No. 3,612,996 a measuring method is described which is based on microwave resonance in a fur the purpose of specially trained cavity is based, and from the American U.S. Patent No. 3,684,952 discloses a method that is based on the change in the resonance frequency of an oscillator caused by an antenna immersed in a liquid.
Das erf indiinp.sgemässe Verfahren bezweckt, ein Messverfahren mit dazugehöriger Vorrichtung zu schaffen, das ebenfalls auf der Dielektrizitätskonstante eines Mediums und deren Einwirkung auf die Impedanz einer Antenne beruht, das aber nicht von Resonanzphänomenen abhangig ist und sich deshalb lür viele Verwendungen leichter einbauen lässt, insbesondere in Verbindung mit Standardausrüstung für die Verarbeitung von Medien, deren Konzentration während der Verarbeitung überwacht und geregelt werden soll.The purpose of the process according to the invention is a measuring process to create with the associated device, which is also based on the dielectric constant of a medium and its effect on the impedance of an antenna, which is not dependent on resonance phenomena and therefore easier to incorporate for many uses, in particular in conjunction with standard equipment for processing Media whose concentration is monitored during processing and should be regulated.
-ie--ie-
5 2 7 b b 'Ζ 75 2 7 b b 'Ζ 7
Ferner bezweckt die Erfindung, ein Messverfahren mit zugehöriger Vorrichtung zu schaffen, das fur die überwachung und Regelung der Konzentration der Zuckersaft bzw. des Sirups in Vakuumvorrichtungen für die Kristallisation von Zucker wahrend des Vorschreitens der Krystallisation besonders geeignet ist.The invention also aims to create a measuring method with an associated device that is used for monitoring and regulating the Concentration of the sugar juice or syrup in vacuum devices for the crystallization of sugar as the crystallization proceeds is particularly suitable.
Erfindungsgemäss ist ein Verfahren zur Messung der Konzentration eines fliessfähigen Mediums, dessen Dielektrizitätskonstante von der Konzentration abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz von einer Quelle solcher Schwingungen einer Antenne aufgedrückt werden, die in einem Behälter für das Medium innerhalb der Begrenzung eines darin gebildeten, mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs angebracht ist, und die bei fehlender Angleichung der Impedanzen der Antenne und der Quelle von der Antenne zurückgeworfene Leistung gemessen wird, wobei die elektrischen Schwingungen eine so hohe Frequenz haben, dass die elektrische Leitfähigkeit des Mediums auf die Messung keinen wesentlichen Einfluss hatAccording to the invention is a method for measuring the concentration a flowable medium, the dielectric constant of which depends on the concentration, characterized in that electrical Oscillations of constant power and constant frequency are imposed on an antenna by a source of such oscillations, which in a container for the medium is mounted within the boundary of a medium-filled Faraday cage formed therein, and the if the impedances of the antenna and the source of The power reflected by the antenna is measured, the electrical oscillations having such a high frequency that the electrical Conductivity of the medium has no significant influence on the measurement
Wie ersichtlich beruht dieses Verfahren nicht auf Resonanzphänomenen, sondern auf der Messung der Angleichung von Impedanzen. Wegen der Anbringung der Antenne innerhalb der Begrenzung eines mit Medium gefüllten Faradayschen Käfigs ist ferner die eigentliche Fortpflanzung von Wellen im Medium wenig bedeutungsvoll, und die mechanischen Abmessungen der Verarbeitungsvorrichtung haben deshalb auf die Messung wenig Einfluss. Die Anpassung der Messvorrichtung an Standardvorrichtungen für die Verarbeitung von fliessfähigen Medien ist deshalb einfach.As can be seen, this method is not based on resonance phenomena, but on the measurement of the matching of impedances. Because of the placement of the antenna within the confines of one with medium a filled Faraday cage is also the actual reproduction of waves in the medium is of little significance, and the mechanical dimensions of the processing device therefore have little influence on the measurement. The adaptation of the measuring device to standard devices for the processing of flowable media is therefore easy.
Ferner wurde gefunden, dass wenn das erfindungsgemässe Messverfahren mit zugehöriger Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der Konzentration in einer Vakuumvorrichtung für die Kristallisation von Zucker benutzt wird, der ermittelte Konzentrationswert eine zweckmässige Abwägung zwischen der Konzentration des Sirups und des Kristallprozentes herbeiführt, so dass das Messverfahren für die Gesamtdauer des Krystallisationsvorganges ganz bis zum Abschluss des Vorganges benutzt werden kann.It was also found that if the measuring method according to the invention with associated device for monitoring and controlling the concentration in a vacuum device for the crystallization of Sugar is used, the determined concentration value is an appropriate one Trade-off between the concentration of the syrup and the crystal percentage brings about, so that the measuring process for the entire duration of the crystallization process can be used until the end of the process.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung weiter beschrieben werden, die schematisch eine Ausführungsform einer Messvorrichtung gemäss der Erfindung in Verbindung mit einer Vakuumvorrichtung für die Verwendung bei der Kristallisation von Zucker zeigt.The invention is to be further described below with reference to the drawing, which schematically shows an embodiment of a measuring device according to the invention in connection with a vacuum device for use in the crystallization of sugar.
Auf der Zeichnung bezeichnet 1 eine Vakuumvorrichtung für die Kristallisation von Zucker, wobei der untere Teil der Aussenwand derIn the drawing, 1 denotes a vacuum device for the crystallization of sugar, the lower part of the outer wall of the
Onnooi /nco/.Onnooi / nco /.
£ Z755774£ Z755774
Vakuumvorriehtiing weggenommen ist, um das übliche Rohrheizungssystem 2 und die Bodenkammer 3 der Vakuumvorrichtung sichtbar zu machen.Vakuumvorriehtiing is removed to the usual pipe heating system 2 and to make the bottom chamber 3 of the vacuum device visible.
In den Boden der Vakuumvorrichtung ist eine Antenne C eingebaut, die über ein einstellbares Impedanzangleichungsglied (Impedanztransformator) B an einen VHF-Generator A angeschlossen ist, der als eine Quelle von elektrischen Schwingungen konstanter Leistung und konstanter Frequenz innerhalb des VHF-Bereiches bildet.An antenna C is built into the bottom of the vacuum device, via an adjustable impedance matching element (impedance transformer) B is connected to a VHF generator A, which acts as a source of electrical oscillations of constant power and constant Frequency within the VHF range.
Im Versorgungsleiter vom Generator A zur Antenne C ist ein Richtungskoppler D mit eingebautem Detektor vorgesehen, welch letzterer mit einem Messinstrument E, wie z.B. einem Voltmeter, verbunden ist. Die Antenne C kann eine einfache Stabantenne sein, die gegen die kräftigen Flüssigkeitsströmungen, die in ihrer Umgebung vorkommen können, sehr widerstandsfähig ist.In the supply line from generator A to antenna C there is a Directional coupler D is provided with a built-in detector, the latter being connected to a measuring instrument E, such as a voltmeter. The antenna C can be a simple rod antenna, which against the strong currents of liquid that may occur in their environment, is very resistant.
Wie in der elektrischen Kreislaufstheorie bekannt, wird in einer Belastung die grösstmögliche Leistung abgesetzt, wenn die Impedanz der Belastung, vom Generator aus gesehen, der Impedanz des Generators gleich ist, oder mit anderen Worten wenn die beiden Impedanzen angeglichen sind. Dies gilt auch für die Ausstrahlung von elektromagnetischer Leistung von einer Antenne, d.h. die grösstmögliche Leistung wird in der Antenne für Ausstrahlung abgesetzt, wenn die Impedanz der Antenne und des Generators einander angeglichen sind.As known in electrical circuit theory, in the greatest possible power is delivered to a load if the impedance the load, seen from the generator, is equal to the impedance of the generator, or in other words if the two impedances are matched are. This also applies to the emission of electromagnetic Power from one antenna, i.e. the greatest possible power is in of the antenna removed for broadcasting when the impedance of the antenna and the generator are matched.
Da die Impedanz von der Form und der Umgebung der Antenne abhängt, ist es erforderlich, zwischen der jeweils verwendeten Antenne und des Generators eine Impedanztransformation vorzusehen, um das Absetzen der grösstmöglichen Leistung in der Antenne zu erreichen. Diese Impedanztransformation ist in der elektrischen Kreislaufstheorie wohlbekannt .Because the impedance depends on the shape and the environment of the antenna depends, it is necessary to choose between the antenna used and to provide an impedance transformation of the generator to effect the dropping off to achieve the greatest possible performance in the antenna. These Impedance transformation is well known in electrical circuit theory .
Die Art der Impedanztransformation oder Impedanzangleichung hängt von der verwendeten Frequenz ab, wie es in der elektrischen Filtertheorie wohlbekannt ist.The type of impedance transformation or impedance matching depends on the frequency used, as is well known in electrical filter theory.
Falls keine Impedanzangleichung erreicht wird, wird ein Teil der vom Generator gelieferten elektrischen Leistung durch die Belastung gegen den Generator zurückgeworfen. Dies kann durch die folgende Formel ausgedrückt werden .If no impedance matching is achieved, part of the electrical power supplied by the generator is lost due to the load thrown back against the generator. This can be done by the following formula be expressed.
U - Z
Pr = P ' G B U - Z
Pr = P ' GB
G ZG + ZB GZ G + Z B
wo P_ = die vom Generator gelieferte Leistung,where P_ = the power delivered by the generator,
Pr = die von der Belastung zurückgeworfene Leistung,Pr = the power thrown back by the load,
Z = die Impedanz des Generators,Z = the impedance of the generator,
CrCr
Aus der Gleichung geht hervor, dass die zurückgeworfene Leistung Pr = 0 bei Z = Z , und dass eine Änderung von Z eine Änderung von Pr herbeiführen wird.The equation shows that the power thrown back Pr = 0 at Z = Z, and that a change in Z results in a change in Pr will bring about.
In den extremen Fallen wird die zurückgeworfene Leistung Pr = P_ bei Z_ = O (Kurzschluss) oder Z = « (Leerlauf).In extreme cases, the power thrown back becomes Pr = P_ at Z_ = O (short circuit) or Z = «(no load).
Da die Impedanz der jeweils benutzten Antenne von ihrer Umgebung und von der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums abhängt, ist ersichtlich, dass eine Änderung der Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums eine Änderung der zurückgeworfenen Leistung herbeiführen wird. Durch Einstellung einer optimalen Angleichung bei konstanter Frequenz kann man jetzt erreichen, dass der Vert Z-Zn bei einer gewissen Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums praktisch gleich O ist, und danach wird jede Änderung der Dielektrizitätskonstante den Wert Z-Z verschieden von O machen.Since the impedance of the antenna used in each case depends on its surroundings and on the dielectric constant of the surrounding medium, it can be seen that a change in the dielectric constant of the surrounding medium will cause a change in the reflected power. By setting an optimal equalization at a constant frequency, one can now achieve that the vert ZZ n is practically equal to O at a certain dielectric constant of the surrounding medium, and then every change in the dielectric constant will make the value ZZ different from O.
ti Bti B
c eines zusammengesetzten Mediums als eine additive Funktion der Dielektrizitätskonstanten ε ε usw. der Bestandteile des Mediums wie folgt ausgedrückt werden kann:c of a composite medium as an additive function of the dielectric constant ε ε etc. of the constituent parts of the medium as follows can be expressed:
ε * εΐ · Φ1 + ε2 ' Φ2« ε * ε ΐ · Φ 1 + ε 2 ' Φ 2 «
wo φ und Φ- die Volumenkonzentrationen der Bestandteile bezeichnen. Dies bildet die Grundlage des Messverfahrens. In dem in einer Zuckerkristallisationsvorrichtung vorhandenen Medium wird demgemäss der Messwert der Dielektrizitätskonstante eine additive Funktion der Dielektrizitätskonstanten von Wasser, gelöstem Zucker und kristallisiertem Zucker sein.where φ and Φ- denote the volume concentrations of the constituents. This forms the basis of the measurement process. The measured value is accordingly in the medium present in a sugar crystallization device the dielectric constant can be an additive function of the dielectric constants of water, dissolved sugar and crystallized sugar.
Das Messen kann vorzugsweise in einer der folgenden Weisen durchgeführt werden.The measurement can preferably be carried out in one of the following ways.
1) Das Angleichungsglied B wird bei einer gegebenen Konzentrat ion auf Minimum der von der Antenne C zurückgeworfenen Leistung eingestellt. Dieses Minimum wird in der Praxis nicht genau O, sondern wie oben genannt praktisch O sein. Jede Änderung der Konzentration oder des Kristallisationszustandes der Flüssigkeit wird jetzt eine Änderung der Impedanz der Antenne herbeiführen, die mittels des Messinstrumentes E ermittelt werden kann.1) The equalizer B is set to the minimum of the power reflected by the antenna C at a given concentration. In practice, this minimum is not exactly O, but how practically O mentioned above. Any change in concentration or des The crystallization state of the liquid will now change the Bring about the impedance of the antenna, which can be determined by means of the measuring instrument E.
Die Konstanz der vom Generator A atisgesandti*n Leistung ist nii-ht über-krit isc-h. Um die Wirkung kleiner Variationen der genannten leistung zu eliminieren, kann die vom Instrument E gemessene Leistung >;( wünsch» enf al 1 s auf die elektrische Leistung des Generators A bezogen werden, so dass die Messung in Prozent der .ius>»es;indt en Leistung ausge-(IrH. Y\ wird.The constancy of the power sent by the generator A atis is not over-critical. In order to eliminate the effect of small variations in the stated output, the output measured by the instrument E can be related to the electrical output of the generator A, if required, so that the measurement is in percent of the .ius>»es; indt en performance (IrH. Y \ is.
8θομ?7 /mi Hh 8θ ομ ? 7 / mi Hh
2) Während einer kontinuierlichen Messung wird das Impedanzangleichungsglied B kontinuierlich auf Minimum der von der Antenne C zurückgeworfenen elektrischen Leistung eingestellt, und die jeweilige Einstellung des Angleichungsgliedes wird als ein Mass der Änderungen der Konzentration ausgewertet.2) During a continuous measurement, the impedance matching element B continuously adjusted to the minimum of the electrical power reflected by the antenna C, and the respective Adjustment of the equalizer is evaluated as a measure of the changes in concentration.
In diesem Falle wird die Einwirkung kleinerer Abweichungen der vom Generator A ausgesandten Leistung automatisch ausgeglichen.In this case, the effect of minor deviations in the power emitted by generator A is automatically compensated for.
Die Konstanz der Frequenz des Generators A ist auch nicht überkritisch, indem es vor allem darauf ankommt, dass die Impedanz der Antenne C auf die genannte Frequenz keine wesentliche Rückwirkung hat. Für die einwandfreie Wirkung der Messvorrichtung ist es erforderlich, dass die Antenne so angebracht ist, dass die umgebenden Wände einen wirksamen und gleichmässigen Faradayschen Käfig bilden, der mit Medium gefüllt sein muss. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Antenne C wie gezeigt am Boden der Vakuumvorrichtung angebracht ist, wo die oberhalb der Antenne befindliche metallische Oberfläche des Rohrheizungssystems die erforderliche Abschirmung, auch gegen Schwankungen des Oberflächenstandes des Mediums herbeiführt.The constancy of the frequency of generator A is also not supercritical, in that it is particularly important that the impedance of the antenna C does not have any significant effect on the frequency mentioned. For the proper functioning of the measuring device it is necessary that the antenna is attached so that the surrounding walls have an effective and Form a uniform Faraday cage that must be filled with medium. This condition is fulfilled if the antenna C is on as shown The bottom of the vacuum device is attached where the metal surface of the pipe heating system located above the antenna provides the required Shielding, also against fluctuations in the surface level of the medium.
Für die Messung kann grundsätzlich eine beliebige Frequenz im VHF-Bereich benutzt werden. Je höher die Frequenz ist, je unabhängiger wird die Messung vom Salzinhalt der Flüssigkeit. Der bevorzugte Frequenzbereich ist zwischen 30 MHz und 1 GHz.In principle, any frequency in the VHF range can be used for the measurement. The higher the frequency, the more independent is the measurement of the salt content of the liquid. The preferred frequency range is between 30 MHz and 1 GHz.
Bei der Durchführung einer portionenweisen Kristallisation von Zucker in einer Vakuumvorrichtung wird aunächst eine vorbestimmte Menge von untergesättigtem Sirup in die Vorrichtung eingelassen und durch Sieden unter Vakuum bis zu geringer Obersättigung eingedampft. Danach wird eine vorbestimmte Menge Impfmaterial, z.B. in der Form von Zuckerstaub oder Zuckerstaubsuspension, zugeführt, und während des Vorschreitens der Kristallisation wird der Vorrichtung zusätzlicher Sirup zugeführt. Die zusätzliche Zuführung von Sirup wird während des ganzen Verlaufes der Kristallisation so geregelt, dass die Konzentration in Übereinstimmung mit einem vorbestemmten, durch Experimente und Erfahrung festgelegten Programm langsam variiert. Es wurde gefunden, dass wenn ein solcher Programm für eine bestimmte Vorrichtung und für ein bestimmtes Verfahren festgelegt worden ist, das erfindungsgemässe Messverfahren für die programmierte Regelung der Zufuhr von Sirup durch an sich bekannte Programmierungsverfahren für die ganze Dauer des Kristallisationsvorganges benutzt werden kann, indem der vom Instrument E ermittelte Messwert als Ist-Wert benutzt wird.When carrying out a portion-wise crystallization of sugar in a vacuum device, a predetermined amount of under-saturated syrup is first admitted into the device and evaporated by boiling under vacuum until it is slightly over-saturated. Thereafter, a predetermined amount of inoculum, for example in the form of sugar dust or sugar dust suspension, is supplied, and additional syrup is supplied to the device as the crystallization progresses. The additional supply of syrup is regulated during the entire course of the crystallization in such a way that the concentration varies slowly in accordance with a predetermined program established through experimentation and experience. It has been found that if such a program has been set for a particular device, and for a particular process, the inventive measuring method for the programmed control of the supply of syrup by known Programmierungsver drive for the whole duration of the crystallization process can be used by the measured value determined by instrument E is used as the actual value .
Wenn nötig kann die Messung für Temperatur kompensiert werden. If necessary, the measurement can be compensated for temperature.
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